變頻器在運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

變頻器在運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用煤炭科學(xué)研究總院上海分院測試中心2010-9-15

目前，煤礦膠帶輸送機(jī)發(fā)展方向：高速度(5.6m/s)大運(yùn)量(年產(chǎn)量2000萬噸）長距離（主井4.7km、大巷9km、順槽6km)大傾角(35度)、大功率(單機(jī)2240KW，總裝機(jī)功率3*1800+3*1800kW）大型帶式輸送機(jī)的性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和使用壽命在很大程度取決于驅(qū)動(dòng)裝置的性能。一、運(yùn)輸機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的基本技術(shù)要求起動(dòng)加速度不大于0．3m/s2的慢速起動(dòng)；多臺(tái)電機(jī)的功率不平衡誤差不大于±3%的自動(dòng)平衡的功能；下運(yùn)電控系統(tǒng)應(yīng)具有控制減（加）速度不大于0．8m/s2時(shí)實(shí)施制動(dòng)的功能；實(shí)現(xiàn)低速驗(yàn)帶功能；滿足運(yùn)輸機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性；實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)。二、幾種運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的比較目前國內(nèi)井下帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式常用的有：電氣軟啟動(dòng)、CST、調(diào)速型液力偶合器、變頻器等。電氣軟啟動(dòng)實(shí)質(zhì)是降壓啟動(dòng)，故機(jī)械特性偏軟，難于滿足大功率的帶式輸送機(jī)重載啟動(dòng)的要求。

通過以下比較，從實(shí)現(xiàn)驗(yàn)帶功能、功率平衡精度、節(jié)能、初期投資、后期維護(hù)等方面看，變頻驅(qū)動(dòng)有著明顯的優(yōu)勢。序號(hào)特性CST調(diào)速型液力偶合器變頻起動(dòng)1軟起動(dòng)特性好較好好2控制系統(tǒng)復(fù)雜簡單簡單3功率平衡較好較好好4傳動(dòng)效率高較高高5可靠性可靠可靠可靠6體積大最大小7運(yùn)行成本高低最低8節(jié)能高低最高9價(jià)格（1000KW以上）高低最低10低速驗(yàn)帶困難困難可以CST、調(diào)速型液力耦合器、變頻驅(qū)動(dòng)方案比較變頻驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)起動(dòng)過程中3臺(tái)電機(jī)的電流曲線（晉城礦務(wù)局成莊煤礦主斜井運(yùn)輸機(jī)實(shí)測）三、變頻器在運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)上的適應(yīng)性

1、軟啟動(dòng)對(duì)于籠型或繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速為

n=60f(1-s)/pn

式中s=轉(zhuǎn)差率變頻調(diào)速是最為理想的調(diào)速方法電壓源型交-直-交變頻器應(yīng)用最多。

IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，既有MOSFET電壓控制型器件驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率較高（一般為20kHz以下）的特點(diǎn)，又有GTR電壓電流值較大的長處。因此，在中等容量的變頻器、逆變器中，得到了廣泛的應(yīng)用。變頻驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)時(shí)的速度（紅色）曲線（晉城礦務(wù)局成莊煤礦主斜井實(shí)測）2、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩基本恒定，由PL=TLnL/9550知，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的功率是和轉(zhuǎn)速成正比的。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子如帶式輸送機(jī)。帶式輸送機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)有節(jié)能效果也基于此，運(yùn)量小時(shí)可低速運(yùn)行。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載來說，應(yīng)首先考慮選用具有無反饋矢量控制功能的變頻器，使電動(dòng)機(jī)在變頻后的大部分頻段，具有真正的恒轉(zhuǎn)矩特性，較好地滿足負(fù)載的要求。3、重載啟動(dòng)運(yùn)輸機(jī)要求啟動(dòng)力矩達(dá)到額定力矩的1.5倍。一般來說，凡是在工作過程中可能使電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載的場合，變頻器的容量都應(yīng)加大一檔。4、變頻調(diào)速的制動(dòng)下運(yùn)運(yùn)輸機(jī)在超速時(shí)有制動(dòng)要求，變頻器可滿足其制動(dòng)要求。通常有兩種方式：

1）外接制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元

2）有源逆變5、功率平衡運(yùn)輸機(jī)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)有功率平衡要求，起到均衡電機(jī)壽命的目的。功率平衡多采用主從方式，例如2：1布置的機(jī)頭集中驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)，3臺(tái)變頻器一對(duì)一驅(qū)動(dòng)3臺(tái)電機(jī)，其中一臺(tái)設(shè)為主機(jī)，另外兩臺(tái)設(shè)為從機(jī)。變頻器之間的數(shù)據(jù)交換可通過以下途徑實(shí)現(xiàn)：

1）變頻器之間主從控制板光纖連接；

2）變頻器與控制系統(tǒng)的控制器通訊連接，數(shù)據(jù)交換通控制器轉(zhuǎn)發(fā)；

3）變頻器之間的數(shù)據(jù)交換通過變頻器模擬量輸入/輸出口連接。主機(jī)和從機(jī)之間為剛性連接時(shí)控制原理速度給定速度PI調(diào)節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉(zhuǎn)換器速度調(diào)節(jié)器模式主機(jī)編碼器反饋速度給定速度PI調(diào)節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉(zhuǎn)換器力矩調(diào)節(jié)器模式從機(jī)編碼器反饋視窗控制主機(jī)和從機(jī)之間為柔性連接時(shí)控制原理

速度給定速度PI調(diào)節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉(zhuǎn)換器速度調(diào)節(jié)器模式主機(jī)編碼器反饋速度給定速度PI調(diào)節(jié)器速度力矩選擇力矩電流轉(zhuǎn)換器速度調(diào)節(jié)器模式從機(jī)編碼器反饋轉(zhuǎn)差率四、變頻器與運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)的接口1、通訊方式變頻器可以通過標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議（如Profibus-DP、Modbus、Devicenet等）與控制器之間交換數(shù)據(jù)。2、變頻器和控制系統(tǒng)的I/O接口變頻器與控制系統(tǒng)的交換數(shù)據(jù)可通過變頻器配置的I/O口來實(shí)現(xiàn)。變頻器配置的模擬量、數(shù)字量輸入/輸出口用戶可根據(jù)需要設(shè)定對(duì)應(yīng)參數(shù)。通常情況下交換的信號(hào)有：從控制系統(tǒng)到變頻器的信號(hào)：速度給定4...20mA

變頻器開變頻器停緊急停機(jī)輔助設(shè)備準(zhǔn)備好從變頻器到控制系統(tǒng)的信號(hào)：變頻器預(yù)備變頻器運(yùn)行變頻器報(bào)警變頻器故障電機(jī)過速變頻器過載電機(jī)轉(zhuǎn)速：4...20mA

電機(jī)電流：4...20mA

到進(jìn)線柜信號(hào)：開關(guān)合五、隔爆型變頻器應(yīng)用中應(yīng)注意的問題1、冷卻方式

散熱是防爆變頻器遇到最大的難題。

在變頻器內(nèi)部：逆變模塊約占整個(gè)變頻器所有散熱量的一半；整流模塊所發(fā)的熱量約占整個(gè)變頻器的45%；而剩下的5%則是電解電容、充電電阻、均壓電阻以及印制板上的發(fā)熱元件等所發(fā)生的熱量。變頻器的熱功耗大約為其額定功率的2～3%，也就是說若電機(jī)的額定功率為400KW，其發(fā)熱量大約為8～12KW。那么在一個(gè)密閉的防爆腔里怎樣能把這些熱量及時(shí)、迅速的傳遞出去并散發(fā)掉，這是防爆變頻器能否長期正常運(yùn)作的關(guān)鍵。目前常用的冷卻方式有：1）、強(qiáng)制風(fēng)冷（非隔爆型或小功率）；2）、熱管交換；3）、熱管交換+強(qiáng)制風(fēng)冷（隔爆型冷卻風(fēng)扇）；4）、水冷。采用熱管交換方式的變頻器散熱能力會(huì)受到熱管散熱能力的限制。水冷方式散熱效果最好，要求有水源，另外為防止水管結(jié)垢，對(duì)水質(zhì)也有一定要求。水冷變頻器一般采用內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩個(gè)水路并用的模式，內(nèi)循環(huán)所采用的水為去離子水，在變頻器正常使用年限內(nèi)，此水是無需更換的。諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。諧波影響各種電器設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使危害加劇，甚至引起嚴(yán)重事故。諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電器測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。諧波有哪些危害2、諧波抑制IEEE519-1992國際標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93國家標(biāo)準(zhǔn)輸入諧波的標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓而言，就6KV和10KV電網(wǎng)要求電壓總諧波不超過4%對(duì)電流而言，在基準(zhǔn)短路容量為100MVA的條件下，對(duì)每次諧波電流的幅值提出了具體的要求，對(duì)6KV電網(wǎng)：

2次諧波電流小于43A3次諧波電流小于34A4次諧波電流小于21A5次諧波電流小于34A6次諧波電流小于14A將各次諧波換算成百分比，也為4%左右。二極管六脈沖整流電路電路簡單,可靠直流母線電壓VDC=1.35*Vin通常用在PWM電壓源型變頻器中六脈沖二極管整流電路輸入電流波形12脈沖二極管整流電路12脈沖二極管整流電路輸入電流減少輸入諧波的有效措施是將輸入變壓器進(jìn)行多重化設(shè)計(jì)形成多脈沖整流從理論上可以推導(dǎo)出下列結(jié)論：12脈沖整流：11次以下諧波自動(dòng)抵銷18脈沖整流：17次以下諧波自動(dòng)抵銷24脈沖整流：23次以下諧波自動(dòng)抵銷30脈沖整流：29次以下諧波自動(dòng)抵銷36脈沖整流：35次以下諧波自動(dòng)抵銷而諧波的幅值與次數(shù)是成反比的消除輸入諧波的有效方法六、中、高壓變頻器在主斜井運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用

主斜井運(yùn)輸機(jī)的單機(jī)功率已達(dá)到2240KW，多采用中、高壓變頻器，非防爆通用變頻器。

中、高壓變頻器現(xiàn)狀分析電流源方案三電平方案完美無諧波功率單元串聯(lián)多電平方案主流方案

電流源型逆變部分采用晶閘管、GTO或IGCT、SGCT直接串聯(lián)解決耐壓問題，直流部分用電抗器存儲(chǔ)存能量，目前技術(shù)水平可做到7.2KV電壓輸出。電流源方案電流源型高壓變頻器原理圖

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：123主電路結(jié)構(gòu)比較簡單容易實(shí)現(xiàn)再生回饋制動(dòng)容量大該方案的缺點(diǎn)是：缺點(diǎn)輸入側(cè)的功率因數(shù)低

dv/dt問題比較突出，損害電機(jī)絕緣諧波含量高，對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備干擾大

一旦出現(xiàn)某功率器件損壞，往往引發(fā)成組器件大范圍損壞，極難修復(fù)三電平型高壓變頻器采用鉗位電路，解決了兩只功率器件串聯(lián)的問題，并使其相電壓輸出具有三個(gè)電平。輸出電壓多為2.3KV、3.3KV、4.16KV。三電平方案三電平型高壓變頻器原理圖+-C1C2123456ABCM3-0該方案的優(yōu)點(diǎn)是：123主電路結(jié)構(gòu)比較簡單容易實(shí)現(xiàn)再生回饋制動(dòng)容量大4體積比較小該方案的缺點(diǎn)是一旦出現(xiàn)某功率器件損壞，往往引發(fā)成組器件大范圍損壞，極難修復(fù)諧波含量高，對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備干擾大dv/dt

問題比較突出，對(duì)電機(jī)絕緣有損害輸入側(cè)的功率因數(shù)低方案的缺點(diǎn)

該方案采用多個(gè)低壓的功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。輸入側(cè)的隔離變壓器采用移相方式形成幾十甚至上百脈波整流效果，可有效消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù)，逆變單元串聯(lián)輸出使施加在電機(jī)定子繞組上的du/dt比較前兩個(gè)方案大大降低，因此可適用于任何電壓的普通電機(jī)，甚至是老系統(tǒng)舊電機(jī)。功率單元串聯(lián)多電平方案

———目前市場占有率較高的高壓變頻器類型

多電平串聯(lián)型高壓變頻器原理圖A1B1C1A2B2C2A3B3C3A4B4C4A5B5C5A6B6C6motor該方案的優(yōu)點(diǎn)是：輸出波形較好，對(duì)電機(jī)絕緣損害小1輸入側(cè)的功率因數(shù)高2運(yùn)行非常安全可靠效率高諧波含量極低，對(duì)電網(wǎng)和其他設(shè)備無干擾容量大3456該方案的缺點(diǎn)是方案的缺點(diǎn)主電路結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜體積稍大去變壓器二次側(cè)功率單元輸出光纖通信連接至主連接板單元控制電路Q1Q3Q2Q4COIL旁路接觸器功率單元旁路電路

快速功率單元旁路技術(shù)

新的功率單元旁路策略，自動(dòng)旁路技術(shù)，旁路時(shí)間在250ms以內(nèi)從物理上完全旁路掉故障功率單元允許每相有不同的功率單元數(shù)量三相線電壓平衡(中心點(diǎn)漂移技術(shù))，發(fā)揮功率單元最大輸出能力相比顯著提高輸出電壓能力美國專利號(hào)5,986,909.已注冊(cè)國際專利技術(shù)完全自動(dòng)旁路，適用異步電機(jī)和同步電機(jī)AA5A4A3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5100%電壓輸出VACVBAVCBBC120TYP.No每相5個(gè)功率單元串聯(lián)，正常運(yùn)行95132.5132.5oooABCVACVBAVCBA3A2A1B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5A4,A5旁路，調(diào)整相位角，輸出電壓對(duì)稱，可達(dá)80%旁路A4,A5新的旁路技術(shù)(中心點(diǎn)偏移)功率因數(shù)負(fù)載百分比輸入功率因數(shù)曲線功率單元串聯(lián)高壓變頻器

電流源型變頻器輸入電流波形與整流形式有關(guān)，該變頻器6KV整流電路脈沖數(shù)為36脈沖，35次以下諧波自動(dòng)抵銷，輸入諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，在不用濾波器情況下一般在2%左右，優(yōu)于IEEE519-1992國際標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549-93國家標(biāo)準(zhǔn)。

功率單元串聯(lián)變頻器滿載時(shí)輸入波形GTO/SGCT電流源型逆變器輸出波形CurrentVoltageNPC逆變器輸出波形輸出電壓dv/dt完美無諧波變頻器輸出相電壓波形CELL1單元1CELL2單元2CELL3單元3COMPOSITE合成dv/dt

1400kW/6kV功率單元串聯(lián)變頻器滿載50Hz實(shí)測波形A-B相線電壓波形A相電流波形同忻主斜井帶式輸送機(jī)主要參數(shù)運(yùn)輸機(jī)型式：頭部卸料，尾部受料，采用頭部三驅(qū)動(dòng)+中間三驅(qū)。運(yùn)輸能力:4800t／h膠帶寬度:1.8m帶速:5m/s運(yùn)輸長度（斜長）: